JP3821113B2 - 熱交換用チューブ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、押出成形で扁平に形成され、断面が真円形状で長手方向に延長された熱媒体流通穴が幅方向に多数配置された熱交換用チューブに関するものであり、特に二酸化炭素冷媒等を用いた比較的高圧の蒸気圧縮式冷凍サイクルに使われる熱交換器に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カーエアコンのコンデンサ等に適用される熱交換器として、図７及び図８に示すようなマルチフロータイプと称される熱交換器１０が多く採用されている。この熱交換器１０は、一対の垂直方向に沿うヘッダー３の間に、それぞれ両端を両ヘッダー３に連通接続する複数本の熱交換用チューブ１が並列状に配置されると共に、熱交換用チューブ１の各間及び最外側の熱交換用チューブ１の外側にフィン４がそれぞれ配置され、更に最外側のフィン４の外側にサイドプレート５が配置される。
【０００３】
また、ヘッダー３に設けられた仕切り部材６によって、熱交換用チューブ１が区分けされて、複数のパスＰ１〜Ｐ３が形成される。そしてヘッダー３上部の冷媒入口７から流入された冷媒が、各パスＰ１〜Ｐ３を順に流通し、その流通時に外気との熱交換により凝縮液化された後、ヘッダー３下部の冷媒出口８から流出されるものである。このような熱交換器の熱交換用チューブとしては、図８に示すように、押出成形で扁平に形成され、長手方向に延長された熱媒体流通穴が幅方向に多数配置され、アルミニウム等の素材からなる熱交換用チューブが一般的に使用されている。
【０００４】
一方、従来において、空調機器用の冷媒として、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）が広く使用されているが、ＨＣＦＣ冷媒は、オゾン層破壊物質として既に西暦２０２０年を目標に全廃が決定されており、またＨＦＣ冷媒も地球温暖化物質であるということから、大気中への排出が強く規制されており、これらＨＣＦＣ冷媒・ＨＦＣ冷媒等のフロン冷媒に対する代替物質の開発、いわゆる脱フロン化の技術開発が急務となっている。
【０００５】
このような状況下において、近年、脱フロン技術の一つとして、二酸化炭素（以下、ＣＯ2と記す ）を冷媒とする冷凍サイクルが提案されている。ＣＯ2 は自然界に存在する自然冷媒の一つで、フロンと比べて地球環境にほとんど影響を及ぼすようなことはない。
【０００６】
ところが、ＣＯ2 を蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒に適用した場合、ＣＯ2 固有の熱力学的性質により超臨界サイクルとなるため、常用圧力レベルが高圧側で１０ＭＰａ以上にまで達する場合があり、フロン冷媒の常用圧力（３〜４ＭＰａ）と比較して非常に高くなる。このため、ＣＯ2 を冷媒として利用する場合、安全性を十分に考慮すると、熱交換用チューブとして、常用圧力レベルの３倍以上の耐圧強度、具体的には３０〜４０ＭＰａ程度の耐圧強度を有するものを使用する必要がある。
【０００７】
このような熱交換用チューブを高耐圧とする従来技術として、特許文献１においては穴形状を角丸長方形とし、更に従来のものよりも厚肉として高耐圧とした熱交換器用チューブが提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特許３３１３０８６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チューブの耐圧上熱媒体流通穴は真円形が望ましい。また、最近では様々な高強度材料が開発されているため、それら強度の異なる素材のチューブに対して、一概に熱媒体流通穴の幅とチューブ肉厚の比率といったパラメータで整理するには無理がある。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、真円形の熱媒体流通穴で構成する熱交換用チューブにおいて様々な強度の素材に対して適用でき、耐圧強度を確保するためのマトリクスを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項１３に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明によれば、押出成形で扁平に形成されチューブ（１）であり、断面が真円形状でチューブ（１）の長手方向に延長された熱媒体流通穴（２）がチューブ（１）の幅方向に多数配置された熱交換用チューブにおいて、
隣り合う熱媒体流通穴（２）間の仕切り部の厚みを「Ｗｔ」、チューブ外周厚みを「Ｈｔ」とした場合、０．４２≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．９８の関係が成立するように構成したことを特徴としている。
【００１２】
これは、様々な仕切り部厚み（Ｗｔ）とチューブ外周厚み（Ｈｔ）とのチューブ（１）に対して応力解析を行った結果、図２に示すような関係があることが分かった。ちなみに図１は、本発明の対象とする熱交換用チューブ１の斜視図および部分拡大断面図であり、図２は図１の熱交換用チューブ１における内圧に対する仕切り部厚み（Ｗｔ）と外周厚み（Ｈｔ）とでの最大応力の発生関係を表すグラフである。
【００１３】
図２のグラフに示す領域Ａにおいては、チューブ外周厚み（Ｈｔ）部をいくら厚く設定しても最大応力は仕切り部厚み（Ｗｔ）部に生じるので、破断も仕切り部厚み（Ｗｔ）部より生じる。一方、領域Ｂにおいては、仕切り部厚み（Ｗｔ）部をいくら厚く設定しても最大応力はチューブ外周厚み（Ｈｔ）部に生じ、破断もチューブ外周厚み（Ｈｔ）部より生じる。
【００１４】
言い換えれば、仕切り部厚み（Ｗｔ）部に生じる最大応力とチューブ外周厚み（Ｈｔ）部に生じる最大応力が概ね同等になるような仕切り部厚み（Ｗｔ）とチューブ外周厚み（Ｈｔ）との比率に設定すれば、無駄なくチューブ（１）の耐圧構造が構成できることとなる。そのうえで、使用応力（圧力）に耐えうる仕切り部厚み（Ｗｔ）とチューブ外周厚み（Ｈｔ）とを設定すれば、チューブ（１）の素材を最小限にしつつ、必要な耐圧強度が確保できることとなる。この考えのもとに、様々な条件で強度解析を行った結果、その最適な比率は穴直径（Ｄｐ）や素材の引張り強度（Ｓ）に関わらず下式のように表されることが分かった。
【００１５】
【式１】Ｈｔ：Ｗｔ＝０．７：１．０
もしも、チューブ外周厚み（Ｈｔ）を上記式1よりも大きく設定した場合には、強度上の悪化はないが重量増となり、軽量化の点で不利である。また逆に、仕切り部厚み（Ｗｔ）を上記式1よりも大きく設定した場合についても同様である。本請求項は、このＨｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつ充分な耐圧強度を持つチューブ（１）を得ることができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明によれば、０．５６≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．８４の関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明によれば、０．６３≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．７７の関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、二酸化炭素冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側に用いられる熱交換用チューブにおいて、熱媒体流通穴（２）の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．７３−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．６９−０．００８４×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成したことを特徴としている。
【００１９】
上述のような比率で設定した仕切り部厚み（Ｗｔ）とチューブ外周厚み（Ｈｔ）とにおいて、チューブ（１）の破壊強度は、穴直径（Ｄｐ）に対する仕切り部厚み（Ｗｔ）、もしくはチューブ外周厚み（Ｈｔ）とチューブ素材の引張り強度（Ｓ）によって決まる。ＣＯ２（二酸化炭素冷媒）サイクルの高圧側熱交換器においては、４０ＭＰａ程度の耐圧が要求されるが、この内圧に耐える為の仕切り部厚み（Ｗｔ）は、図３のグラフに示すようになる。図３は、図２の関係をＣＯ２サイクルの高圧側での耐圧に適用したグラフである。これを式で表すと下式のように表されることが分かった。
【００２０】
【式２】Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐ
尚、チューブ外周厚み（Ｈｔ）は、式２によって決められる仕切り部厚み（Ｗｔ）と、式１からのＨｔ／Ｗｔ＝０．７という関係によって決められる。本請求項は、このＷｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつＣＯ２サイクルの高圧側での圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ（１）を得ることができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明によれば、（０．９７−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．４５−０．００７２×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。
【００２２】
また、請求項６に記載の発明によれば、（１．０９−０．００５４×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．３３−０．００６６×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００２３】
請求項７に記載の発明によれば、二酸化炭素冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルの低圧側に用いられる熱交換用チューブにおいて、熱媒体流通穴（２）の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．３４−０．００２４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０６≦Ｗｔ≦（０．８０−０．００５６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１４の関係が成立するように構成したことを特徴としている。
【００２４】
これは、ＣＯ２サイクルの低圧側熱交換用チューブについても、上記高圧側と同様にして考えたものである。ＣＯ２サイクルの低圧側熱交換器においては、３０ＭＰａ程度の耐圧が要求されるが、この内圧に耐える為の仕切り部厚み（Ｗｔ）は、図４のグラフに示すようになる。図４は、図２の関係をＣＯ２サイクルの低圧側での耐圧に適用したグラフである。これを式で表すと下式のように表されることが分かった。
【００２５】
【式３】Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１
尚、チューブ外周厚み（Ｈｔ）も高圧側と同様に、式３によって決められる仕切り部厚み（Ｗｔ）と、式１からのＨｔ／Ｗｔ＝０．７という関係によって決められる。本請求項は、このＷｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつＣＯ２サイクルの低圧側での圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ（１）を得ることができる。
【００２６】
また、請求項８に記載の発明によれば、（０．４６−０．００３２×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０８≦Ｗｔ≦（０．６８−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１２の関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。
【００２７】
また、請求項９に記載の発明によれば、（０．５１−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０９≦Ｗｔ≦（０．６３−０．００４４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１１の関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００２８】
請求項１０に記載の発明によれば、引張り強度（Ｓ）が５０〜１３０Ｎ／ｍｍ２のアルミニウムを主成分とした素材を用いたことを特徴としている。また、請求項１１に記載の発明によれば、穴直径（Ｄｐ）を０．４〜２．０ｍｍとしたことを特徴としている。上記範囲の引張り強度（Ｓ）の素材を用いて、上記範囲の穴直径（Ｄｐ）とすることは、ＣＯ２サイクルでの圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ（１）を得るために望ましい。
【００２９】
請求項１２に記載の発明によれば、熱媒体流通穴（２）をチューブ（１）の厚み方向に複数の列状に配置すると共に、厚み方向で互いに隣り合う熱媒体流通穴（２）同士を幅方向にずらして配置したことを特徴としている。これにより、チューブ（１）の成形性が向上すると共に、同じ耐圧強度とした場合、少ないチューブ（１）の断面積で大きな熱媒体流通穴（２）の面積を確保することができるため、チューブ（１）を小型・軽量・高性能・低コストとすることができる。
【００３０】
請求項１３に記載の発明によれば、チューブ（１）の外周面を、熱媒体流通穴（２）に応じて凹凸させたことを特徴としている。これにより、耐圧強度を下げることなく、更にチューブ（１）の素材量を低減することができる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態における熱交換用チューブ１の斜視図および部分拡大断面図である。この熱交換用チューブ１は、二酸化炭素冷媒（ＣＯ２）を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、例えば前述の図７に示したマルチフロータイプの熱交換器や、図示しないパラレルフロータイプの熱交換器と同様な熱交換器の熱交換チューブとして使用されるものであり、長尺なアルミニウムの押出成形品でもって形成されている。
【００３２】
この熱交換チューブ１は、扁平に成型されていると共に、断面が真円形状でチューブ１の長手方向に延長された熱媒体流通穴２が、チューブ１の幅方向に多数配置されている。そして、図１の部分拡大断面図に示すように、熱媒体流通穴２間の仕切り部の厚みをＷｔ［ｍｍ］、チューブ外周厚みをＨｔ［ｍｍ］、熱媒体流通穴２の穴直径をＤｐ［ｍｍ］、チューブ素材の引張り強度をＳ［Ｎ／ｍｍ２］とした場合、仕切り部厚みＷｔとして
高圧側熱交換器は、Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐ
高圧側熱交換器は、Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１に設定している。
【００３３】
一方、チューブ外周厚みＨｔは、仕切り部厚みＷｔとの比率で
Ｈｔ：Ｗｔ＝０．７：１．０（つまり、Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７）に設定している。尚、チューブ高さＨ［ｍｍ］は、図から明らかなように
Ｈ＝Ｄｐ＋２Ｈｔとなる。
【００３４】
次に、本実施形態の特徴について述べる。まず、隣り合う熱媒体流通穴２間の仕切り部の厚みを「Ｗｔ」、チューブ外周厚みを「Ｈｔ」とした場合、０．４２≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．９８の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつ充分な耐圧強度を持つチューブ１を得ることができる。
【００３５】
または、０．５６≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．８４の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。または、０．６３≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．７７の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００３６】
また、ＣＯ２サイクルの高圧側に用いられる熱交換用チューブとして、熱媒体流通穴２の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．７３−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．６９−０．００８４×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつＣＯ２サイクルの高圧側での圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ１を得ることができる。
【００３７】
または、（０．９７−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．４５−０．００７２×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。または、（１．０９−０．００５４×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．３３−０．００６６×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００３８】
また、ＣＯ２サイクルの低圧側に用いられる熱交換用チューブとして、熱媒体流通穴２の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．３４−０．００２４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０６≦Ｗｔ≦（０．８０−０．００５６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１４の関係が成立するように構成している。
【００３９】
これは、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつＣＯ２サイクルの低圧側での圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ１を得ることができる。
【００４０】
または、（０．４６−０．００３２×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０８≦Ｗｔ≦（０．６８−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１２の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。
【００４１】
または、（０．５１−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０９≦Ｗｔ≦（０．６３−０．００４４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１１の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００４２】
また、引張り強度Ｓが５０〜１３０Ｎ／ｍｍ２のアルミニウムを主成分とした素材を用いている。また、穴直径Ｄｐを０．４〜２．０ｍｍとしている。これは、上記範囲の引張り強度Ｓの素材を用いて、上記範囲の穴直径Ｄｐとすることは、ＣＯ２サイクルでの圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ１を得るために望ましい。
【００４３】
尚、本発明においては、仕切り部厚みＷｔ、チューブ外周厚みＨｔ、穴直径Ｄｐ、引張り強度Ｓ、およびチューブ高さＨを特定の値に形成する場合、又はチューブ１の断面を特定の値の断面形状に形成する場合には、上記の関係を利用することにより、一層確実に得ることができるという利点がある。
【００４４】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態における熱交換用チューブ１１の斜視図および部分拡大断面図である。熱媒体流通穴２をチューブ１の厚み方向に複数の列状に配置すると共に、厚み方向で互いに隣り合う熱媒体流通穴２同士を幅方向にずらして配置している。これにより、チューブ１の成形性が向上すると共に、同じ耐圧強度とした場合、少ないチューブ１の断面積で大きな熱媒体流通穴２の面積を確保することができるため、チューブ１を小型・軽量・高性能・低コストとすることができる。
【００４５】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態における熱交換用チューブ２１の斜視図である。チューブ１の外周面を、熱媒体流通穴２に応じて凹凸させている。これにより、耐圧強度を下げることなく、更にチューブ１の素材量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における熱交換用チューブ１の斜視図および部分拡大断面図である。
【図２】図１の熱交換用チューブ１における内圧に対する仕切り部厚みＷｔと外周厚みＨｔとでの最大応力の発生関係を表すグラフである。
【図３】図２の関係をＣＯ２サイクルの高圧側での耐圧に適用したグラフである。
【図４】図２の関係をＣＯ２サイクルの低圧側での耐圧に適用したグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態における熱交換用チューブ１１の斜視図および部分拡大断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態における熱交換用チューブ２１の斜視図である。
【図７】マルチフロータイプの熱交換器１０を示す正面図である。
【図８】図７の熱交換器１０における熱交換用チューブ１とヘッダー３との連結部を分解して示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 熱交換用チューブ
２ 熱媒体流通穴
Ｄｐ 穴直径
Ｈｔ チューブ外周厚み
Ｓ 引張り強度
Ｗｔ 仕切り部厚み
【発明の属する技術分野】
本発明は、押出成形で扁平に形成され、断面が真円形状で長手方向に延長された熱媒体流通穴が幅方向に多数配置された熱交換用チューブに関するものであり、特に二酸化炭素冷媒等を用いた比較的高圧の蒸気圧縮式冷凍サイクルに使われる熱交換器に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カーエアコンのコンデンサ等に適用される熱交換器として、図７及び図８に示すようなマルチフロータイプと称される熱交換器１０が多く採用されている。この熱交換器１０は、一対の垂直方向に沿うヘッダー３の間に、それぞれ両端を両ヘッダー３に連通接続する複数本の熱交換用チューブ１が並列状に配置されると共に、熱交換用チューブ１の各間及び最外側の熱交換用チューブ１の外側にフィン４がそれぞれ配置され、更に最外側のフィン４の外側にサイドプレート５が配置される。
【０００３】
また、ヘッダー３に設けられた仕切り部材６によって、熱交換用チューブ１が区分けされて、複数のパスＰ１〜Ｐ３が形成される。そしてヘッダー３上部の冷媒入口７から流入された冷媒が、各パスＰ１〜Ｐ３を順に流通し、その流通時に外気との熱交換により凝縮液化された後、ヘッダー３下部の冷媒出口８から流出されるものである。このような熱交換器の熱交換用チューブとしては、図８に示すように、押出成形で扁平に形成され、長手方向に延長された熱媒体流通穴が幅方向に多数配置され、アルミニウム等の素材からなる熱交換用チューブが一般的に使用されている。
【０００４】
一方、従来において、空調機器用の冷媒として、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）が広く使用されているが、ＨＣＦＣ冷媒は、オゾン層破壊物質として既に西暦２０２０年を目標に全廃が決定されており、またＨＦＣ冷媒も地球温暖化物質であるということから、大気中への排出が強く規制されており、これらＨＣＦＣ冷媒・ＨＦＣ冷媒等のフロン冷媒に対する代替物質の開発、いわゆる脱フロン化の技術開発が急務となっている。
【０００５】
このような状況下において、近年、脱フロン技術の一つとして、二酸化炭素（以下、ＣＯ2と記す ）を冷媒とする冷凍サイクルが提案されている。ＣＯ2 は自然界に存在する自然冷媒の一つで、フロンと比べて地球環境にほとんど影響を及ぼすようなことはない。
【０００６】
ところが、ＣＯ2 を蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒に適用した場合、ＣＯ2 固有の熱力学的性質により超臨界サイクルとなるため、常用圧力レベルが高圧側で１０ＭＰａ以上にまで達する場合があり、フロン冷媒の常用圧力（３〜４ＭＰａ）と比較して非常に高くなる。このため、ＣＯ2 を冷媒として利用する場合、安全性を十分に考慮すると、熱交換用チューブとして、常用圧力レベルの３倍以上の耐圧強度、具体的には３０〜４０ＭＰａ程度の耐圧強度を有するものを使用する必要がある。
【０００７】
このような熱交換用チューブを高耐圧とする従来技術として、特許文献１においては穴形状を角丸長方形とし、更に従来のものよりも厚肉として高耐圧とした熱交換器用チューブが提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特許３３１３０８６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チューブの耐圧上熱媒体流通穴は真円形が望ましい。また、最近では様々な高強度材料が開発されているため、それら強度の異なる素材のチューブに対して、一概に熱媒体流通穴の幅とチューブ肉厚の比率といったパラメータで整理するには無理がある。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、真円形の熱媒体流通穴で構成する熱交換用チューブにおいて様々な強度の素材に対して適用でき、耐圧強度を確保するためのマトリクスを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項１３に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明によれば、押出成形で扁平に形成されチューブ（１）であり、断面が真円形状でチューブ（１）の長手方向に延長された熱媒体流通穴（２）がチューブ（１）の幅方向に多数配置された熱交換用チューブにおいて、
隣り合う熱媒体流通穴（２）間の仕切り部の厚みを「Ｗｔ」、チューブ外周厚みを「Ｈｔ」とした場合、０．４２≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．９８の関係が成立するように構成したことを特徴としている。
【００１２】
これは、様々な仕切り部厚み（Ｗｔ）とチューブ外周厚み（Ｈｔ）とのチューブ（１）に対して応力解析を行った結果、図２に示すような関係があることが分かった。ちなみに図１は、本発明の対象とする熱交換用チューブ１の斜視図および部分拡大断面図であり、図２は図１の熱交換用チューブ１における内圧に対する仕切り部厚み（Ｗｔ）と外周厚み（Ｈｔ）とでの最大応力の発生関係を表すグラフである。
【００１３】
図２のグラフに示す領域Ａにおいては、チューブ外周厚み（Ｈｔ）部をいくら厚く設定しても最大応力は仕切り部厚み（Ｗｔ）部に生じるので、破断も仕切り部厚み（Ｗｔ）部より生じる。一方、領域Ｂにおいては、仕切り部厚み（Ｗｔ）部をいくら厚く設定しても最大応力はチューブ外周厚み（Ｈｔ）部に生じ、破断もチューブ外周厚み（Ｈｔ）部より生じる。
【００１４】
言い換えれば、仕切り部厚み（Ｗｔ）部に生じる最大応力とチューブ外周厚み（Ｈｔ）部に生じる最大応力が概ね同等になるような仕切り部厚み（Ｗｔ）とチューブ外周厚み（Ｈｔ）との比率に設定すれば、無駄なくチューブ（１）の耐圧構造が構成できることとなる。そのうえで、使用応力（圧力）に耐えうる仕切り部厚み（Ｗｔ）とチューブ外周厚み（Ｈｔ）とを設定すれば、チューブ（１）の素材を最小限にしつつ、必要な耐圧強度が確保できることとなる。この考えのもとに、様々な条件で強度解析を行った結果、その最適な比率は穴直径（Ｄｐ）や素材の引張り強度（Ｓ）に関わらず下式のように表されることが分かった。
【００１５】
【式１】Ｈｔ：Ｗｔ＝０．７：１．０
もしも、チューブ外周厚み（Ｈｔ）を上記式1よりも大きく設定した場合には、強度上の悪化はないが重量増となり、軽量化の点で不利である。また逆に、仕切り部厚み（Ｗｔ）を上記式1よりも大きく設定した場合についても同様である。本請求項は、このＨｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつ充分な耐圧強度を持つチューブ（１）を得ることができる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明によれば、０．５６≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．８４の関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明によれば、０．６３≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．７７の関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、二酸化炭素冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側に用いられる熱交換用チューブにおいて、熱媒体流通穴（２）の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．７３−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．６９−０．００８４×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成したことを特徴としている。
【００１９】
上述のような比率で設定した仕切り部厚み（Ｗｔ）とチューブ外周厚み（Ｈｔ）とにおいて、チューブ（１）の破壊強度は、穴直径（Ｄｐ）に対する仕切り部厚み（Ｗｔ）、もしくはチューブ外周厚み（Ｈｔ）とチューブ素材の引張り強度（Ｓ）によって決まる。ＣＯ２（二酸化炭素冷媒）サイクルの高圧側熱交換器においては、４０ＭＰａ程度の耐圧が要求されるが、この内圧に耐える為の仕切り部厚み（Ｗｔ）は、図３のグラフに示すようになる。図３は、図２の関係をＣＯ２サイクルの高圧側での耐圧に適用したグラフである。これを式で表すと下式のように表されることが分かった。
【００２０】
【式２】Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐ
尚、チューブ外周厚み（Ｈｔ）は、式２によって決められる仕切り部厚み（Ｗｔ）と、式１からのＨｔ／Ｗｔ＝０．７という関係によって決められる。本請求項は、このＷｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつＣＯ２サイクルの高圧側での圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ（１）を得ることができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の発明によれば、（０．９７−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．４５−０．００７２×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。
【００２２】
また、請求項６に記載の発明によれば、（１．０９−０．００５４×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．３３−０．００６６×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００２３】
請求項７に記載の発明によれば、二酸化炭素冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルの低圧側に用いられる熱交換用チューブにおいて、熱媒体流通穴（２）の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．３４−０．００２４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０６≦Ｗｔ≦（０．８０−０．００５６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１４の関係が成立するように構成したことを特徴としている。
【００２４】
これは、ＣＯ２サイクルの低圧側熱交換用チューブについても、上記高圧側と同様にして考えたものである。ＣＯ２サイクルの低圧側熱交換器においては、３０ＭＰａ程度の耐圧が要求されるが、この内圧に耐える為の仕切り部厚み（Ｗｔ）は、図４のグラフに示すようになる。図４は、図２の関係をＣＯ２サイクルの低圧側での耐圧に適用したグラフである。これを式で表すと下式のように表されることが分かった。
【００２５】
【式３】Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１
尚、チューブ外周厚み（Ｈｔ）も高圧側と同様に、式３によって決められる仕切り部厚み（Ｗｔ）と、式１からのＨｔ／Ｗｔ＝０．７という関係によって決められる。本請求項は、このＷｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつＣＯ２サイクルの低圧側での圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ（１）を得ることができる。
【００２６】
また、請求項８に記載の発明によれば、（０．４６−０．００３２×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０８≦Ｗｔ≦（０．６８−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１２の関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。
【００２７】
また、請求項９に記載の発明によれば、（０．５１−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０９≦Ｗｔ≦（０．６３−０．００４４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１１の関係が成立するように構成したことを特徴としている。本請求項は、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００２８】
請求項１０に記載の発明によれば、引張り強度（Ｓ）が５０〜１３０Ｎ／ｍｍ２のアルミニウムを主成分とした素材を用いたことを特徴としている。また、請求項１１に記載の発明によれば、穴直径（Ｄｐ）を０．４〜２．０ｍｍとしたことを特徴としている。上記範囲の引張り強度（Ｓ）の素材を用いて、上記範囲の穴直径（Ｄｐ）とすることは、ＣＯ２サイクルでの圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ（１）を得るために望ましい。
【００２９】
請求項１２に記載の発明によれば、熱媒体流通穴（２）をチューブ（１）の厚み方向に複数の列状に配置すると共に、厚み方向で互いに隣り合う熱媒体流通穴（２）同士を幅方向にずらして配置したことを特徴としている。これにより、チューブ（１）の成形性が向上すると共に、同じ耐圧強度とした場合、少ないチューブ（１）の断面積で大きな熱媒体流通穴（２）の面積を確保することができるため、チューブ（１）を小型・軽量・高性能・低コストとすることができる。
【００３０】
請求項１３に記載の発明によれば、チューブ（１）の外周面を、熱媒体流通穴（２）に応じて凹凸させたことを特徴としている。これにより、耐圧強度を下げることなく、更にチューブ（１）の素材量を低減することができる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態における熱交換用チューブ１の斜視図および部分拡大断面図である。この熱交換用チューブ１は、二酸化炭素冷媒（ＣＯ２）を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、例えば前述の図７に示したマルチフロータイプの熱交換器や、図示しないパラレルフロータイプの熱交換器と同様な熱交換器の熱交換チューブとして使用されるものであり、長尺なアルミニウムの押出成形品でもって形成されている。
【００３２】
この熱交換チューブ１は、扁平に成型されていると共に、断面が真円形状でチューブ１の長手方向に延長された熱媒体流通穴２が、チューブ１の幅方向に多数配置されている。そして、図１の部分拡大断面図に示すように、熱媒体流通穴２間の仕切り部の厚みをＷｔ［ｍｍ］、チューブ外周厚みをＨｔ［ｍｍ］、熱媒体流通穴２の穴直径をＤｐ［ｍｍ］、チューブ素材の引張り強度をＳ［Ｎ／ｍｍ２］とした場合、仕切り部厚みＷｔとして
高圧側熱交換器は、Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐ
高圧側熱交換器は、Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１に設定している。
【００３３】
一方、チューブ外周厚みＨｔは、仕切り部厚みＷｔとの比率で
Ｈｔ：Ｗｔ＝０．７：１．０（つまり、Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７）に設定している。尚、チューブ高さＨ［ｍｍ］は、図から明らかなように
Ｈ＝Ｄｐ＋２Ｈｔとなる。
【００３４】
次に、本実施形態の特徴について述べる。まず、隣り合う熱媒体流通穴２間の仕切り部の厚みを「Ｗｔ」、チューブ外周厚みを「Ｈｔ」とした場合、０．４２≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．９８の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつ充分な耐圧強度を持つチューブ１を得ることができる。
【００３５】
または、０．５６≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．８４の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。または、０．６３≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．７７の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｈｔ／Ｗｔ＝０．７という関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００３６】
また、ＣＯ２サイクルの高圧側に用いられる熱交換用チューブとして、熱媒体流通穴２の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．７３−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．６９−０．００８４×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつＣＯ２サイクルの高圧側での圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ１を得ることができる。
【００３７】
または、（０．９７−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．４５−０．００７２×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。または、（１．０９−０．００５４×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．３３−０．００６６×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（１．２１−０．００６×Ｓ）×Ｄｐという関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００３８】
また、ＣＯ２サイクルの低圧側に用いられる熱交換用チューブとして、熱媒体流通穴２の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．３４−０．００２４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０６≦Ｗｔ≦（０．８０−０．００５６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１４の関係が成立するように構成している。
【００３９】
これは、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±４０％の幅内に収めるものである。これにより、軽量かつＣＯ２サイクルの低圧側での圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ１を得ることができる。
【００４０】
または、（０．４６−０．００３２×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０８≦Ｗｔ≦（０．６８−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１２の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±２０％の幅内に収めるものであり、より望ましい。
【００４１】
または、（０．５１−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０９≦Ｗｔ≦（０．６３−０．００４４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１１の関係が成立するように構成している。これは、上記Ｗｔ＝（０．５７−０．００４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１という関係に対して略±１０％の幅内に収めるものであり、より一層望ましい。
【００４２】
また、引張り強度Ｓが５０〜１３０Ｎ／ｍｍ２のアルミニウムを主成分とした素材を用いている。また、穴直径Ｄｐを０．４〜２．０ｍｍとしている。これは、上記範囲の引張り強度Ｓの素材を用いて、上記範囲の穴直径Ｄｐとすることは、ＣＯ２サイクルでの圧力に対して充分に耐えうる強度を持つチューブ１を得るために望ましい。
【００４３】
尚、本発明においては、仕切り部厚みＷｔ、チューブ外周厚みＨｔ、穴直径Ｄｐ、引張り強度Ｓ、およびチューブ高さＨを特定の値に形成する場合、又はチューブ１の断面を特定の値の断面形状に形成する場合には、上記の関係を利用することにより、一層確実に得ることができるという利点がある。
【００４４】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態における熱交換用チューブ１１の斜視図および部分拡大断面図である。熱媒体流通穴２をチューブ１の厚み方向に複数の列状に配置すると共に、厚み方向で互いに隣り合う熱媒体流通穴２同士を幅方向にずらして配置している。これにより、チューブ１の成形性が向上すると共に、同じ耐圧強度とした場合、少ないチューブ１の断面積で大きな熱媒体流通穴２の面積を確保することができるため、チューブ１を小型・軽量・高性能・低コストとすることができる。
【００４５】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態における熱交換用チューブ２１の斜視図である。チューブ１の外周面を、熱媒体流通穴２に応じて凹凸させている。これにより、耐圧強度を下げることなく、更にチューブ１の素材量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における熱交換用チューブ１の斜視図および部分拡大断面図である。
【図２】図１の熱交換用チューブ１における内圧に対する仕切り部厚みＷｔと外周厚みＨｔとでの最大応力の発生関係を表すグラフである。
【図３】図２の関係をＣＯ２サイクルの高圧側での耐圧に適用したグラフである。
【図４】図２の関係をＣＯ２サイクルの低圧側での耐圧に適用したグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態における熱交換用チューブ１１の斜視図および部分拡大断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態における熱交換用チューブ２１の斜視図である。
【図７】マルチフロータイプの熱交換器１０を示す正面図である。
【図８】図７の熱交換器１０における熱交換用チューブ１とヘッダー３との連結部を分解して示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 熱交換用チューブ
２ 熱媒体流通穴
Ｄｐ 穴直径
Ｈｔ チューブ外周厚み
Ｓ 引張り強度
Ｗｔ 仕切り部厚み
Claims (13)
- 押出成形で扁平に形成されチューブ（１）であり、断面が真円形状で前記チューブ（１）の長手方向に延長された熱媒体流通穴（２）が前記チューブ（１）の幅方向に多数配置された熱交換用チューブにおいて、
隣り合う前記熱媒体流通穴（２）間の仕切り部の厚みを「Ｗｔ」、チューブ外周厚みを「Ｈｔ」とした場合、０．４２≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．９８の関係が成立するように構成したことを特徴とする熱交換用チューブ。 - ０．５６≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．８４の関係が成立するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換用チューブ。
- ０．６３≦Ｈｔ／Ｗｔ≦０．７７の関係が成立するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換用チューブ。
- 二酸化炭素冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧側に用いられる熱交換用チューブにおいて、前記熱媒体流通穴（２）の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．７３−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．６９−０．００８４×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換用チューブ。
- （０．９７−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．４５−０．００７２×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成したことを特徴とする請求項４に記載の熱交換用チューブ。
- （１．０９−０．００５４×Ｓ）×Ｄｐ≦Ｗｔ≦（１．３３−０．００６６×Ｓ）×Ｄｐの関係が成立するように構成したことを特徴とする請求項４に記載の熱交換用チューブ。
- 二酸化炭素冷媒を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルの低圧側に用いられる熱交換用チューブにおいて、前記熱媒体流通穴（２）の穴直径を「Ｄｐ」、素材の引張り強度を「Ｓ」とした場合、（０．３４−０．００２４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０６≦Ｗｔ≦（０．８０−０．００５６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１４の関係が成立するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換用チューブ。
- （０．４６−０．００３２×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０８≦Ｗｔ≦（０．６８−０．００４８×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１２の関係が成立するように構成したことを特徴とする請求項７に記載の熱交換用チューブ。
- （０．５１−０．００３６×Ｓ）×Ｄｐ＋０．０９≦Ｗｔ≦（０．６３−０．００４４×Ｓ）×Ｄｐ＋０．１１の関係が成立するように構成したことを特徴とする請求項７に記載の熱交換用チューブ。
- 前記引張り強度Ｓが５０〜１３０Ｎ／ｍｍ２のアルミニウムを主成分とした素材を用いたことを特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれかに記載の熱交換用チューブ。
- 前記穴直径Ｄｐを０．４〜２．０ｍｍとしたことを特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれかに記載の熱交換用チューブ。
- 前記熱媒体流通穴（２）を前記チューブ（１）の厚み方向に複数の列状に配置すると共に、前記厚み方向で互いに隣り合う前記熱媒体流通穴（２）を前記幅方向にずらして配置したことを特徴とする請求項１、４、７のいずれかに記載の熱交換用チューブ。
- 前記チューブ（１）の外周面を、前記熱媒体流通穴（２）に応じて凹凸させたことを特徴とする請求項１、４、７のいずれかに記載の熱交換用チューブ。
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